SERK-BIR 模块：开启陆地植物发育与免疫调控机制的新大门

本文聚焦陆地植物，深入研究 SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASES（SERKs）和 BRI1-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE 1（BAK1）-INTERACTING RECEPTOR-LIKE KINASES（BIRs）模块。通过对多形性地钱（Marchantia polymorpha）的研究，发现该模块在植物发育和免疫中起关键作用，为理解陆地植物调控机制提供新视角。

　　### 研究背景
在植物的生长发育和应对外界病原体的过程中，存在着许多复杂而精妙的调控机制。SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASES（SERKs）属于富含亮氨酸重复序列的受体样激酶（LRR - RLKs）亚家族 II，在被子植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）的发育和免疫中扮演着多样的角色。比如，AtSERKs 可作为多种 LRR - RLKs 的共受体，像 BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1（BRI1）和 FLAGELLIN SENSITIVE 2（FLS2）。同时，BRI1 - ASSOCIATED RECEPTOR KINASE 1（BAK1）-INTERACTING RECEPTOR-LIKE KINASES（BIRs）在非激活状态下会与 SERKs 相互作用，对 SERK 介导的信号通路进行负调控。

值得注意的是，SERK 和 BIR 在陆地植物中高度保守，然而 BRI1 和 FLS2 的同源物在苔藓植物谱系中却不存在或保守性较差。在非开花植物中，SERK 同源物的生物学功能在很大程度上还不清楚。多形性地钱（Marchantia polymorpha）的基因组编码了 SERK 和 BIR 的单一同源物，即 MpSERK 和 MpBIR，这为研究它们的功能提供了良好的模型。

MpSERK对多形性地钱的发育和繁殖至关重要

多形性地钱的基因组编码了三个 LRR - RLK 亚家族 II 成员，其中只有 Mp7g09160 与拟南芥的 SERKs 具有直系同源关系，被命名为 MpSERK。为了探究 MpSERK 的功能，研究人员利用 CRISPR - Cas9 技术构建了 MpSERK 功能缺失突变体。这些突变体表现出严重的生长和发育缺陷，如分支增多、表面呈波浪状，无法形成芽杯，远红光照射也不能诱导配子托的形成。这表明 MpSERK 在多形性地钱的营养繁殖和有性繁殖过程中都起着关键作用。

通过 β - 葡萄糖醛酸酶（GUS）报告基因分析发现，MpSERK 主要在分生组织区域表达，这与突变体的发育缺陷可能是由于该区域的调控异常相吻合。此外，MpSERK 在同化丝中也有表达，暗示其可能在多形性地钱的免疫中发挥作用。

在拟南芥中，SERK3/BAK1 作为模式识别受体（PRRs）的共受体，有助于抵御病原菌。但由于多形性地钱 Mpserk^ge突变体的严重发育表型，难以直接比较病原菌在其与野生型植株上的生长情况。研究人员通过突变 MpSERK 的保守酪氨酸（Y）残基，发现表达 MpSERK^Y418F - mTb - Myc 不能像 MpSERK - mTb - Myc 那样互补生长和发育表型，且该突变体上病原菌的生长情况与野生型和 MpSERK - mTb - Myc 表达植株相似。这说明在多形性地钱中，保守的 Y 残基似乎在与生长相关的信号传导中起作用，而与免疫无关。

MpSERK 与 MpBIR 相互作用

研究人员假设 MpSERK 在多形性地钱中作为 LRR - RLKs 的共受体，于是采用基于 mTb 的相互作用组学技术来鉴定可能与 MpSERK 或 MpSERK^Y418F相互作用的 LRR - RLKs。结果发现，MpBIR 可能是在静止状态下与 MpSERK 特异性相互作用的 LRR - RLK，并且通过互作组学分析也证实了 MpSERK 是 MpBIR 唯一特异性的潜在 LRR - RLK 相互作用蛋白。

为了进一步验证这一相互作用，研究人员将带有荧光标签的 MpSERK 和 MpBIR 融合蛋白在本氏烟草（Nicotiana benthamiana）叶片中瞬时表达，利用 F?rster 共振能量转移（FRET）和荧光寿命成像显微镜（FLIM）技术，确认了它们在植物细胞表面存在相互作用，表明 MpSERK 和 MpBIR 作为一个功能模块发挥作用。

研究人员还构建了 MpBIR 功能缺失突变体 Mpbir^ge和 Mpserk^ge/Mpbir^ge双突变体。Mpbir^ge突变体表现出相对温和的生长和发育缺陷，而所有的双突变体都呈现出类似于 Mpserk^ge的表型。此外，过表达 MpBIR 会导致多形性地钱出现类似 Mpserk^ge的表型，且会影响芽杯和芽的形成。这些结果表明，MpBIR 的主要分子功能可能是抑制 MpSERK 的活性，与拟南芥中的 SERK - BIR 模块作用相似。

MpBIR负向调节免疫，且对芽杯和配子托发育至关重要

鉴于 BIRs 在拟南芥中通常作为 SERKs 的负调节因子，研究人员推测在没有病原体挑战的情况下，Mpbir^ge突变体中 MpSERK 介导的信号通路可能会被激活。通过对野生型 Tak - 1、Mpserk^ge和 Mpbir^ge进行转录组分析，发现 40% 的差异表达基因在 Mpserk^ge和 Mpbir^ge中呈现出与 Tak - 1 相反的表达模式，这支持了上述推测。

基因本体（GO）分析显示，在 Mpbir^ge中诱导且在 Mpserk^ge中降低的基因，在生长发育相关的 GO 术语和防御相关的 GO 术语中显著富集。这表明 MpBIR 在限制 MpSERK 的不必要激活方面发挥作用，可能通过抑制 MpSERK 来负向调节防御相关基因的表达，而 MpSERK 则可能对免疫有正向贡献。

在用致病细菌丁香假单胞菌番茄致病变种（Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000，Pto DC3000）的发光菌株（Pto - lux）对 Mpbir^ge突变体进行挑战实验中，发现Pto - lux 在 14 天龄的 Mpbir^ge叶状体上几乎不增殖，这种超抗性表型可通过表达 MpBIR - mTb - Myc 恢复到野生型水平，进一步证明了 MpSERK - MpBIR 模块在多形性地钱免疫中的作用。

此外，Mpbir^ge突变体在营养繁殖和有性繁殖方面也存在缺陷，如芽杯形成显著减少，无法形成成熟的漏斗形芽杯，配子托发育在早期受到干扰。这表明 MpBIR 依赖的 MpSERK 调节对芽杯和配子托的发育是必需的，但对这些过程的诱导并非必需。

Mpserk影响多种蛋白激酶的磷酸化状态

为了深入了解受 MpSERK - MpBIR 模块调控的磷酸化事件，研究人员对 Tak - 1、Mpserk - 3^ge、Mpbir - 1^ge和 Mpbir - 3^ge进行了磷酸化蛋白质组分析。比较 Mpserk - 3^ge和 Tak1 中鉴定到的磷酸肽丰度，发现突变体中下调的磷酸肽多于上调的；而在 Mpbir^ge突变体中则呈现相反的模式，这与 MpSERK 作为蛋白激酶、MpBIR 抑制 MpSERK 活性的假设相符。

在 Mpserk - 3^ge中磷酸化水平下调的蛋白中，包括多种蛋白激酶，如 LRR - RLK、受体样细胞质激酶（RLCK）和丝裂原活化蛋白（MAP）激酶（MAPK）级联反应组件等，这些激酶可能是 MpSERK 直接作用的靶点。此外，转录因子、RNA 加工因子、生长素转运体、钙通道和细胞周期调节因子等的磷酸化水平也在 Mpserk - 3^ge中下调，它们可能在 MpSERK 依赖的生长和发育磷酸化途径下游发挥作用。

在 Mpbir^ge突变体中，一些转运蛋白的磷酸化水平上调，包括 AtPEN3 同源物等。同时，参与细胞外基质组织的蛋白质磷酸化水平也升高，这可能与突变体对Pto - lux 的超抗性有关。此外，还观察到一个 WRKY 转录因子、LRR - RLK 和凝集素受体样激酶（LecRK）的磷酸化水平增加，推测 LecRK 可能与 MpSERK 协同正调控多形性地钱的免疫。

研究结论

在多形性地钱中，SERK 和 BIR 作为一个模块，在植物的发育和免疫过程中都起着至关重要的作用。Mpserk^ge和 Mpbir^ge突变体的转录组分析结果支持了 MpBIR 抑制 MpSERK 介导的信号通路这一假设。这些发现表明，SERK - BIR 模块在陆地植物中的生理和分子功能具有高度的保守性，推测该模块在陆地植物的最后一个共同祖先中就已经演化形成，用于调节植物的发育和免疫。未来的研究挑战在于鉴定与 MpSERK 共同发挥作用并调节发育或免疫的受体激酶及其配体，而本研究中报告的转录组、相互作用组和磷酸化蛋白质组数据将有助于进一步剖析 SERK 介导的信号通路及其演化。